Summary
שבבי סיליקון פוטוניים יש את הפוטנציאל לממש מערכות קוונטיות משולבים מורכבים. אנו מציגים כאן שיטה להכנת ובדיקת שבב סיליקון פוטוניים למדידות הקוונטים.
Abstract
שבבי סיליקון פוטוניים יש את הפוטנציאל לממש מורכבים מעגלי עיבוד מידע קוונטי משולב, כולל מקורות פוטון, מניפולציה קיוביט, וכן גלאי פוטון יחיד משולבת. כאן, אנו מציגים את ההיבטים המרכזיים של הכנה ובדיקת שבב קוונטי סיליקון פוטוניים עם מקור פוטון משולב אינטרפרומטר שני פוטונים. ההיבט החשוב ביותר של מעגל קוונטים משולב הוא מזעור הפסד כך שכל הפוטונים שנוצרו מזוהים עם הנאמנות הגבוהה ביותר האפשרית. כאן, אנו מתארים כיצד לבצע צימוד קצה הפסד נמוך באמצעות סיבי צמצם מספריים גבוהים במיוחד מקרוב כדי להתאים את המצב של בגלבו סיליקון. באמצעות מתכון שחבור היתוך אופטימיזציה, סיבי UHNA הוא מתממשקת בצורה חלקה עם סיב יחיד במצב רגיל. צימוד הפסד נמוך זה מאפשר מדידה של ייצור פוטון באיכות הגבוהה בתוך מהוד טבעת סיליקון משולב ואת ההפרעה דו-פוטון העוקבת של p מיוצרhotons בתוך אינטרפרומטר מאך-זנדר משולבים באופן הדוק. מאמר זה מתאר את הליכי חיוני ההכנה והאפיון של ביצועים גבוהים ומעגלי פוטוניים קוונטים סיליקון להרחבה.
Introduction
הסיליקון הוא מראה הבטחה גדולה כפלטפורמה פוטוניקס לעיבוד אינפורמציה קוונטית 1, 2, 3, 4, 5. אחד המרכיבים החיוניים של מעגלי פוטוניים קוונטים הוא מקור הפוטון. מקורות פוטון-זוג פותחו מן סיליקון בצורת תהודת מייקרו-טבעת שנעשתה באמצעות תהליך ליניארית מסדר שלישי, ערבוב של ארבעת גלים ספונטני (SFWM) 6, 7, 8. מקורות אלה הם מסוגלים לייצר זוגות פוטונים נבדל, אשר הם אידיאליים עבור ניסויים מעורבים פוטון הסתבכות 9.
חשוב לציין טבעת כי מקורות מהוד יכול לפעול הן עם כיוון השעון ועל התפשטות נגד כיוון השעון, ואת שני כיוונים התפשטות שונים הם גניםעצרת עצמאית זו מזו. זה מאפשר צלצול יחיד לתפקד כשני מקורות. כאשר שאוב אופטי משני הכיוונים, מקורות אלה יוצרים המדינה הסתבכה הבאה:
איפה 
ו 
הם מפעילי יצירה העצמאיים עבור clockwise- ו נגד-הפצה דו-פוטונים, בהתאמה. זוהי צורה מאוד רצויה של מדינה מסובכת ידועה כמדינת N00N (N = 2) 10.
עובר למצב זה באמצעות אינטרפרומטר על-שבב מאך-זנדר (MZI) התוצאה היא מדינה:
מצב זה נע בין מקרה מקסימלית מקרה אפס בבית פעמיםתדירות הפרעות קלאסית בבית MZI, להכפיל את הרגישות ביעילות של אינטרפרומטר 10. כאן, אנו מציגים את ההליך משמש לבדיקה כגון מקור פוטון משולב מכשיר MZI.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הערה: פרוטוקול זה מניח כי השבב פוטוניים כבר מפוברק. השבב המתואר כאן (שמוצג באיור 1 א) היה מפוברק במתקן מדע וטכנולוגיה ננו אוניברסיטת קורנל שימוש בטכניקות עיבוד סטנדרטי למכשירים סיליקון פוטוניים 11. אלה כוללים את השימוש של פרוסות סיליקון על מבודד (המורכב משכבה סיליקון 220 ננומטר בעובי, שכבת תחמוצת סיליקון 3-מיקרומטר, ואת מצע סיליקון 525 מיקרומטר בעובי), ליטוגרפיה אלומת אלקטרונים להגדיר בגלבו רצועה (500 ננומטר-רחב), ואת שיקוע כימי-פלזמה משופרת של חיפוי דו תחמוצת הצורן (~ 3 מיקרומטר בעובי). תהודת מייקרו-הטבעת נועדה עם רדיוס פנימי של 18.5 מיקרומטר מוליך גל-עד-טבעת פער של 150 ננומטר. דמויות של הכשרון עבור מכשיר זה כולל הפסד, גורם האיכות, בטווח הספקטרום בחינם, ואת פיזור.
1. פוטוניים שבב הכנה
- מניחים ועמון קטןt של שעווה על הר ליטוש צולבות חתך ומחממים אותו ל ~ 130 ° C.
הערה: כמות השעווה לשמש תלוי בגודל המדגם להיות רכוב. בטח יש מספיק שעווה כדי לשמור על השבב נייח, ואילו כמות גדולה מדי יגרום שעווה על היבטי השבב. - מניח את השבב פוטוניים על החלק של ליטוש הר עם השעווה. ודא כי השעווה נמסה לחלוטין כך השבב הוא שטוח נגד ההר. להשתמש בפינצטה פלסטיק בעת טיפול השבב כדי למנוע נזק לרכיבים.
- אפשר בהר לקרר באוויר הסביבה, כך השעווה מתמצק. קירור מהיר יותר מאשר זה עלול לגרום נזק שבב.
- פוליש היבטי השבב.
הערה: חשוב לבחור את הכרית לחיכה הנכונה כמו להתחיל עם כרית כי הוא אגרסיווי מדי עלול לגרום ליטוש משם יותר של השבב מרצוי.- צרף את צחצוח הר אל הממרק ופולני רק לכמה שניות. כרית עם חספוס 3-מיקרומטר הוכיחה להיותנקודת התחלה טובה עבור שבבי סיליקון עם אורכי היבט של ~ 1 ס"מ.
- הסר את הר הליטוש ולבדוק את פן השבב כדי לקבוע כיצד רמת השבב מותקן.
הערה: מיקרוסקופ הוא כלי יעיל למדידת המרחק בין הקצוות של מוליכי גלים ואת ההיבט של השבב. מדידות אלה מאפשרות את הזווית בין הפן ואת מוליך הגל שייקבע. - הפוך את ההתאמות הנדרשות מיקרומטרים על לטש כדי לשפר את פילוס של השבב.
- חזור על שלבי 1.4.1-1.4.3 עד ההיבט של השבב ואת בגלבו נמצא במרחק 0.15 ° להיות מאונך אחד לשנייה.
- פולנית השבב בשלבים של ~ 50 מיקרומטר, בדיקת השבב בין כל צעד כדי לנטר את המרחק הנותר, עד שיש ~ 100 מיקרומטר עזב כדי למרק. אם בנקודה כלשהי החיפוי נראה delaminating מפני השטח, להבטיח כי הכרית מסתובבת כדי פולני מהחלק העליון של השבב לחלק התחתון.
הערה: זה עשוי גם לעזור להשתמש בחומר סיכה ליטוש במקום מים. delamination זוהי תוצאה של מתח בתוך החיפוי ומהווה אינדיקציה שתהליך הייצור צריך להיות מותאם. - שנה כדי לרפד ופולנית לחיכה 1 מיקרומטר עד שיש ~ 20 מיקרומטר הנותרים.
- שנה כדי לרפד 0.5 מיקרומטר ולהמשיך והברקת 15 אחר מיקרומטר.
- השתמש כרית 0.1 מיקרומטר עבור בגמר 5 מיקרומטר להבטיח פן חלק. תמונות מיקרוסקופ של ההיבט של שבב סיליקון פוטוניים לפני ואחרי הליטוש מוצגות באיור 2.
- מחמם את ההר עם השבב המצורף ~ 130 ° C כדי לאפשר השעווה להינמס.
- לאחר השעווה נמסה לגמרי, להסיר את השבב מההר ולאפשר לו להתקרר באיטיות.
- נקו את השעווה שנותרה מהשבב באמצעות אצטון, isopropanol, ומים.
2. הכנת הסיבים Pigtails
- עזה את fr חיץ או ציפויאום בסופו של סיבי מצב יחידים (SMF) צם ו מקצה אחד של מספרי צמצם אולטרה-גבוה (UHNA) סיבים.
- נקה את הקצוות החשופים של הסיבים בתערובת של אצטון, מתנול.
- קליב את הקצוות החשופים של שני הסיבים עם קופיץ סיבים מסחרי.
- פיוז'ן אחוי הסוף בקע של הסיבים. מתכון SMF שחבור כדי סיבים UHNA מוצג בטבלה 1.
- חלק שרוול הגנה על האחו ולמקם אותו בתנור השרוול לצרף אותו לצמיתות על הסיבים.
- חזור על שלבים 2.1-2.5 להכין הכל שלושה סיבים.
3. תצורת התקנת הבדיקה
הערה: תרשים של התקנת הבדיקה מוצגת באיור 1B. ההר עבור השבב הוא הדום נחושת שנמצא במגע עם צידנית תרמה-חשמלי (TEC). יש מיקרוסקופ המצויד בשני גלוי אינפרא אדום (IR) מצלמות לצפייה השבב פוטוניים.
- מקוםכמות של שעווה קטנה על שבב ההר ולהחיל מתח אל TEC כדי להמס את השעווה.
- מניח את השבב על השעווה נמסה, ולוודא שהוא יושב שטוח על ההר.
- הסר את המתח מן TEC ולאפשר הר שבב לצנן לאט.
- צרף כל הסיבים איחו כדי חריץ-נ סיבים עם קלטת פוליאימיד והר חריץ-נ יחיד לכל אחד בשלבי 3 הציר באמצעות חומרת הרכבה-מסופק יצרן.
- צימוד קצה סיב.
- חבור השלושה הסיבים לרכיבים שלהם: אחד הפלט האופטי של הליזר ואת השניים האחרים כדי מטרי כוח אופטיים.
- כוון את המיקרוסקופ כך שהיא תתמקד על שבב שבו בגלבו להגיע לקצה.
- מקם את הסיב קרוב לקצה השבב, כך שהם נמצאים בתצוגה של המצלמה הגלויה ולהתאים לגבהים שלהם כך הליבה של כל סיב היא בפוקוס.
- התאם את המיקום האופקי של סיבים עם השלב micrometeRS כך הם נעמדו עם בגלבו.
- הפעל את הפלט האופטי של הליזר ולכוון את עמדות מיקרומטר אופקיות ואנכיות של סיבי הקלט עד שהנורית היא צימוד לתוך מוליך הגל. תיאור זה יופיע על מצלמת IR כמו פיזור לאורך מוליך גל קלט.
- כוון את אורך הגל של הלייזר עד לנקודה שבה מהוד מיקרו-טבעת מואר על המצלמה. זה מציין שתנאי התהודה מתבצע מרוצה וכי האור מגיע בגלבו הפלט.
- התאם את עמדות מיקרומטר אופקיות ואנכיות של סיבי הפלט עד שיש כמות למדידה של אור המשתרע בגלבו אל מטרים הכח.
- למקסם את הכח בשני הגלאים ידי מניפולציה של עמדות מיקרומטר אופקיות ואנכיות של השלושה הסיבים.
- בהמשך למקסם את כוח הגלאים ידי ביצוע התאמות קנס על עמדות סיבים האופקיות ואנכיות באמצעות בשליטת פייזוERS.
- השתמש בקרי piezo כדי להזיז את הסיבים מעט קרובים יותר השבב. ודא שלא להשתמש מיקרומטרים לדחוף את הסיבים על השבב, מכיוון שדבר יפגע הקצוות בקעו סביר של הסיבים.
- חזור על שלבי 3.5.9 ו 3.5.10 עד שהסיבים צמודים היטב אל צידי השבב.
הערה: אור מפוזר מוגזם מן בגלבו, יחד עם שידור מוליך גל עני, יכולה להיות אינדיקציה של פגמים מוליכים גל. אלה יכולים לכלול, אך אינם מוגבלים, אתרי פגם מהותי, גבולות תפירה, וחספוס מוליך גל מוגזם.
- מניחים בבקר הקיטוב מבוססי סיבים בין לייזר לבין שבב. זה מאפשר שליטה על מצב הקיטוב שעושה אותו השבב. בגלבו, להיות רחב יותר מגובהן, סיוע ב מזעור כל סיבוב קיטוב על-שבב.
- אפיון נפיץ.
- כוון את הקיטוב של פלט לייזר כדי למקסם את צימוד השבב. מכשיר זה תוכנן עבור רוחבי-חשמלי (TE) קיטוב, וככזה, הקיטוב הרוחבי-מגנטי (TM) יש הפסד גבוה בהרבה.
- סריקת לייזר מתכונן רחבי טווח אורכי גל של עניין (1510 ננומטר עד 1600 ננומטר במקרה הזה) ולעקוב אחר מטרים כוח. כל חפצים בספקטרום השידור צפויים בשל שילוב של מרכיב TM של תופעות קיטוב etalon מהממשק-שבב סיבים.
- אתר את אורכי גל התהודה בספקטרום וגם לחלץ את רוחב הפס של כל תהודה. היה שבב מסוים זה רוחבי פס קטן כמו 65 בערב, המתרגם גורמי איכות (Q) של עד 23,000.
- קבע את טווח הספקטרום בחינם (FSR), הפרדה בין תהודות, עבור כל זוג סמוך תהודות. היה מכשיר מסוים זה יש FSR של ~ 5 ננומטר.
- חישוב מדד הקבוצה (g n) של המצב המודרך עבור כל ערך של FSR באמצעות המשוואה הבאה:
n 5" src = "/ files / ftp_upload / 55,257 / 55257eq5.jpg" />
שם λ הוא אורך הגל ו- R הוא רדיוס של מהוד מיקרו-הטבעת. המשוואה הנ"ל היא קירוב מסדר ראשון של המדד בקבוצה. - להשתמש ברוחב הפס של כל תהודה לקבוע רוחב (ז Δn) המשויכת לכל ערך המדד בקבוצה.
- בחר את אורכי הגל עבור שני לייזרים משאבת כזה שהם עולים בקנה אחד עם תהודות בספקטרום ויש מספר אי זוגי של תהודות ביניהם (איור 1C).
- לקבוע את אורך הגל של דו-פוטונים המנוונים באמצעות המשוואה הבאה:
שם λ משאבה 1 ו λ משאבה 2 הם אורכי הגל של הפוטונים המשאבה. - הוספת קו אופקי על העלילה של מדד קבוצה מול גל המשתרע בין שני אורכי גל המשאבה (איור 3). אם זה אפשרי עבור ליןדואר לשבת בתוך g n ± g Δ n בכלל בשלושה אורכי גל של עניין בעת ובעונה אחת, מצבו בשלב ההתאמה היא מרוצה פוטונים יכולים להיווצר באמצעות SFWM. אם זה לא אפשרי, נסה לבחור ב אורכי גל המשאבה כי הם קרובים יותר זה לזה ולבדוק שוב.
- הוספת מקור ליזר מתכונן שני קיטוב בקר אל ההתקנה ולשלב את התפוקות האופטיות משני הלייזרים עם combiner סיבים 1 x 2.
- להוסיף שורה של מסננים לחרוץ מבוססי סיבים (מספיק מהם להשיג ~ 120 דציבלים של הנחתה) מיד לפני השבב.
הערה: המסננים מאפשרים הוא באורכי גל המשאבה לעבור אלא לדחות את הגל דו-הפוטון. הם עוזרים להסיר רעש עודף (כלומר, פס רחב פיזור ראמאן של הסיבים האופטיים) לפני צימוד השבב. הספקטרום המסנן מוצג באיור 1B. - להוסיף שורה של מסנני bandpass מבוססי סיבים (מספיק מהם כדי להשיג ~ 150 דציבלים של הנחתה)מיד לאחר השבב.
הערה: המסננים צריכים להיות רחב מספיק כדי לאפשר-הפוטונים דו לעבור אבל צר מספיק כדי לדחות את פוטוני המשאבה. שני סטים של אלה נדרשים, סט אחד לכל פלט. הספקטרום המסנן מוצג באיור 1B. - שלח את הפוטונים דחו מכל קבוצה של מסננים להפריד מטרי כוח.
הערה: מטר כוח אלה משמש כדי לפקח על הצימוד האופטי אל השבב והוא יכול לשמש גם כדי לקבוע אם לייזרי המשאבה שנותרו על-תהודה. - חברו את יציאת אופטי בודדות מתוך כל קבוצה של מסננים מבוססי סיבים כדי גלאי פוטון יחיד (SPD) ולחבר שני פלטי האות החשמלי מן SPDs על קורלטור צירוף מקרים.
- לחצות זוג חלליות טונגסטן ולהגדיר את הטיפים למטה על אחת הרגליים ספירלה (~ 1 מ"מ אורך) של MZI.
- חבר אספקת חשמל לבית כגון שתי בדיקות חצו שהם יוצרים חום כאשר מוחל מתח. זה ישמש מחלף פאזיים tהוא MZI.
הערה: ראה דיון על תיאור של השיטה הסטנדרטית יותר עבור כוונון התרמית של התקנים פוטוניים.
4. מדידת הפרעה דו פוטון
- Tune שני לייזרי המשאבה את אורכי הגל שנבחר. השתמש מטרים הכח כי הם ניטור פוטוני המשאבה דחו להבטיח כי לייזרי שניהם מכוונים אל התהודות. כאשר הלייזרים מכוונים כראוי תהודות הרצויות, את האות דחתה מן המסננים תהיה מוגדלת.
- הגדר את תפוקת החשמל אופטי מכל לייזר כדי -3 dBm.
הערה: זו תגרום <100 μW על השבב. חשוב לשמור על כוח המשאבה נמוכה זו כדי להקטין את האיבוד (מ קליט רב-פוטון וקליטה חופשי המובילה) ולשמור על יציבות (על ידי צמצום משמרות תרמית מושרה אור). ניתן להשתמש צומת PN להסיר נישאים מן המוליך הגל כדי להתאים טוב יותר סמכויות משאבה גבוהות. - מנטרים גם מוני צירוף מקרים (Synchroסינגלים Nous פני שתי יציאות) על ידי שילוב מעל ~ 220 נ.ב. על השיא של נתונים. זמן אינטגרציה מספק עבר כאשר מינימום של 100 סעיפי מקרה נאסף.
הערה: חלון האינטגרציה צריך להיות רחב מספיק כדי להסביר את ריצוד התזמון של SPDs. - הגדר את אספקת החשמל עבור השלב שמזיז למתח הראשוני (למשל, 0 V).
- סרוק אחד לייזרים מתכווננים רחבי טווח אורך גל שלם ולהשתמש מטרים הכוח הם איסוף הפוטונים משאבת דחה לאשר את המיקום של תהודות של עניין. הגדר את לייזרי משאבה את אורכי הגל מתאימים התהודות הרצויות.
הערה: חשוב להשלים שלב זה כל זמן מתח מחלף השלב משתנה כמו כוונון התרמית יכולה לגרום משמרות קטנות של אורכי גל התהודה. - אסוף את הנתונים המתקבלים (ספירת-פוטון יחיד, כמו גם את ספירת צירוף מקרים) מן קורלטור מקרה עבור שנבחר בעברזמן אינטגרציה. הנה, זמן אינטגרציה של 90 s נבחר ברזולוציה העיתוי של 32 PS.
- הגדלת מתח מיושם על-מחלף השלב ידי 5 mV.
- חזור על שלבים 4.4-4.6 עד שייאספו נתונים עבור הטווח הרצוי של מתחים.
הערה: המתח המקסימאלי הוגבל 2.4 V עקב הידרדרות מהירה של החלליות מעל מתח זה. - שלב פסגות צירוף המקרים לכל מתח ספק כוח מעל ~ 220 נ.ב. כדי לקבוע את המספר הכולל של צירופי מקרים (איור 4).
- שלב מעל 320 NS מן השיא מקרה להשיג את צירופי מקרים מקרי. השתמשו תוצאה זו כדי לחשב את מספר accidentals בשיא צירוף מקרים.
- התאם את ספירת סינגלים מכל גלאי עם פונקציית הסינוס השונה הבאה:
כאשר A, B, C, D, E, ו- F הם הפרמטרים לנכונים. בכושר הדבר נחוץ בשל relationsh ליניאריתIP בין המתח ואת משמרת תרמית המושרה (שלב יחסית). - המרת המשתנה הבלתי תלוי לשלב ביחס לכל שלוש קבוצות של נתונים (סינגלים שחשוב מכל גלאי והרוזנים צירוף מקרים) עם המשוואה הבאה:
איפה B, C, D, ו- E הם הפרמטרים בכושר משלב 4.11. מרה זו התאפשרה בזכות פונקציית ההעברה סינוסי הידועה של MZI 12. - להתאים את נתוני צירוף מקרים (עם השלב היחסי כמשתנה העצמאית) עם הפונקציה סינוס הבאה:
כאשר A ו- B הם הפרמטרים לנכונים. - חשבתי את מידת החשיפה של כל תבנית התאבכות עם המשוואה הבאה:
איפה ƒ (θ) מקס ו ƒ (
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ספירת פוטון יחידה מכל גלאי, כמו גם את ספירת צירוף המקרים, נאספה כשלב היחסי בין שני הנתיבים היה מכוון. ספירת הבודדים (איור 5 א) להראות את תבנית התאבכות הקלסית מתוך MZI עם רמות של חשיפה של 94.5 ± 1.6% ו 94.9 ± 0.9%. מדידות צירוף המקרים (איור 5) להראות את הפרעת קוונטי המדינה הסתבכה, כפי שברור התנודה בבית פעמים התדירה של תבנית ההתאבכות הקלסית, עם חשיפה של 93.3 ± 2.0% (96.0 ± 2.1% עם accidentals מופחתים) . כדי לאשר כי הפוטונים נוצרים בעיקר הטבעת, המשאבות שהוגדרו לשתי תהודות שתחייבנה את הפוטונים דו להיוצר באורך גל לא נתמך על ידי הטבעת. הקו הכתום איור 5 ב מאשר כי, עם תצורה כזו, אין coincidenc משמעותי es. איור 6 מראה את ספירת המקרה עבור זוגות תהודה הזמינים כי הם סימטריים בתדירות על התהודה מתאימה דו-הפוטונים הרצויים. בכל המקרים, את תלות θ 2 של השלב היחסי ניכרת.
איור 1: testbed הניסיון עבור הסבב עבור הגל הסיליקון. (א) תמונה של שבב קוונטי סיליקון פוטוניים המציין את כיוון ההתפשטות של הפוטונים. ההבלעה היא דיאגרמה שימור אנרגיה לתהליך הערבוב של ארבעת גלים המתרחש בתוך הטבעת. (ב) התקנה ניסיונית משמש לבדיקת מעגלים פוטוניים סיליקון. (ג) הילוכים ספקטרום של חלל מיקרו-הטבעת, עם חצים המצביעים בתצורת שאיבה וכן את אורך הגל של דו-פוטונים שנוצר.s / ftp_upload / 55,257 / 55257fig1large.jpg" target = '_ blank'> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2: Facet שיפוץ מן הליטוש. תמונות של היבט של שבב סיליקון פוטוניים (א) לאחר ייצור אבל לפני ליטוש ו- (ב) לאחר ליטוש. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3: אפיון עבור גל נפיץ. מגרש של תלות באורך גל של המדד בקבוצה. אזור אהילים האדום הוא נציג של רוחב הפס של התהודות ומאפשר הערכה הקלה של השלב-maמצב tching. הקו המקווקו הירוק הוא אופקי נמצא לחלוטין בתוך האזור המוצל, הוכחה כי תנאי שלב ההתאמה הוא מרוצה. העובדה שהנתונים שטוחים פני כל הטווח היא אישור של פיזור אפס. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4: מדידת בד בבד פוטונים. מגרש של שיא מקרה נמדד עם קורלטור פעמי עם זמן אינטגרציה של 90 s ו החלטה עיתוי 32 PS. קווי מקווקו אדום מציינים את הקצוות של החלון צירוף מקרים, בהם יש בסך הכל 459 צירופי מקרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5: מדידות הפרעה קלאסית ו קוונטית. (א) אור הקלסי הוכחת תבנית ההתאבכות הטיפוסית מתוך MZI כשלב היחסי בין שני הנתיבים מגוון. (ב) מדידות קורלציה צירוף מקרים מראות את תלות 2 θ של השלב היחסי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6: ראות Bi-פוטון עבור תצורות אורך גל משאבה שונים. מגרשים של מדידות קורלציה צירופי מקרים של חשיפת מחושב עבור אורכי גל השאיבה של (א (ב) 1,518.2 ננומטר ו 1,586.9 ננומטר, (ג) 1,522.9 ננומטר ו 1,581.8 ננומטר, (ד) 1,527.7 ננומטר ו 1,576.7 ננומטר, (ה) 1,532.4 ננומטר ו 1,571.6 ננומטר, ו (ו) 1,537.2 ננומטר ו 1,566.6 ננומטר. בכל המקרים, את תלות θ 2 של השלב היחסי ניכרת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
| SMF לפרמטרים שחבור סיבים UHNA | |
| יישר: Core | פוקוס: אוטומטי |
| ECF: Off | כיבוי אוטומטי |
| הגבל קליב: 1 ° | הגבל זווית Core: 1 ° |
| ניקוי Arc: 150 ms | גאפ: 15 מיקרומטר |
| תפקיד Gapset: מרכז | Prefuse Power: 20 קצת |
| Prefuse זמן: 180 ms | חפיפה: 10 מיקרומטר |
| קצת 20: Arc1 Power | Arc1 זמן: 18,000 ms |
| Arc2: Off | Rearc זמן: 800 ms |
| טייפר Splice: Off | |
טבלה 1: הגדרות עבור Fusion שחבור SMF כדי UHNA סיבים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ישנם אתגרים מרובים עבור השדה של Photonics משולבת להתגבר כדי למערכות מורכבות, וניתן להרחבה של התקנים פוטוניים כדי להיות ריאלי. אלה כוללים, אך אינם מוגבלים ל: טולרנסים ייצור חזק, במנותק מן אי יציבות סביבתית, ומזעור כל הצורות של אובדן. ישנם צעדים קריטיים בפרוטוקול לעיל המסייעים למזער את ההפסד של התקנים פוטוניים.
אחת הדרישות החיוניות ביותר מזעור הפסד מקרוב החליט להתאים את המצב האופטי של הסיבים בגלבו. חלק מהקושי נובע בקוטר השדה במצב הגדול (MFD) של SMF (~ 10 מיקרומטר). בצד המכשיר המשולב, קיים מוליך גל סיליקון 500 ננומטר-רחב עם MFD קטן בהרבה (<1 מיקרומטר). המעבר ממצב זה בין סיבים לבין מוליך גל ניתן לשפר בשתי דרכים: SMF באורך של סיבים UHNA או הצבת להתחדד הפוך לקצה של שבבים פוטוניים. האזור איחה between SMF ומעשי סיבי UHNA כמו ממיר מצב, הקטנת הגודל של המצב ל ~ 3 מיקרומטר. להתחדד הפוכים משמש להרחבת המצב על השבב ידי הקטנת הרוחב של מוליך הגל כפי שהוא מתקרב ההיבט. שבב זה משתמש להתחדד ליניארית מ 500 בגלבו ננומטר עד 150 ננומטר העצות (על היבטי השבב), עם אורך מעבר של 300 מיקרומטר. היצרות רוחב מוליך הגל לקצה תוצאות השבב לירידה במדד האפקטיבי של המצב האופטי, בתורו, במצב מתרחב.
הליטוש של פן השבב הוא גם מאוד חשוב במיתון אובדן אופטי. שני חששות תוך הליטוש עוצרים על פני השטח הרצויים delaminating חומר החיפוי העליון. באופן אידיאלי, העמדה הסופית של ההיבט תהיה דווקא בסוף להתחדד. עם זאת, זה די קשה להשיג, ומסיבה זו, הקצה להתחדד הוארך על ידי 100 מיקרומטר כך הליטוש ניתן לעצור כמה מיקרונים לפנילהתחדד מתחיל. אם החומר מעט מדי מוסר, במצב לא ליפול בפח בצורה יעילה על ידי להתחדד. אם חומר יותר מדי מוסר, תהיה התאמת מצב גדולה בממשק סיבים / שבב, ועוד של האור יאבד. החשש העיקרי השני הוא delamination של החיפוי העליון. אם יש בעיות עם ייצור (ניקיון או ללחץ מוגזם החיפוי), החיפוי לא יכול לדבוק המצע בקצה השבב. כאשר delamination קורה להתרחש באחת בגלבו, זה יביא יעילות צימוד עניים מאוד. אם הוא שם לב במהלך ליטוש, חומר סיכת ליטוש למעט מים יכול לשפר את התוצאות.
יש מקום לשיפור בפרוטוקול לעיל. השיפור הגדול ביותר יבוא משימוש בשיטה סטנדרטית יותר עבור תרמית כוונון המכשיר. השיטה משמשת כאן הייתה תוצאה של תהליך ייצור פשוט שלא כלל שום שכבות מתכת. בדרך כלל, resistive לישכבת הטל משמשת גופי חימום, ואת שכבת מתכת פערי מוליך שמש רפידות מגע וחוטים מן הרפידות כדי גופי החימום. שלב א 'לאחר מכן ניתן להשתמש כדי להגדיר את בדיקות על הכריות, המאפשר מתח כדי להיות מיושם על המחממים. זה מאפשר רמה גבוהה יותר של שליטה ויציבות. שבב סיליקון פוטוניים דומה למה נבדק כאן אבל עם מחממי מתכת מוצג בסרטון המצורף.
ישנן שיטות אחרות של צימוד אור על השבב פוטוניים. עבור עבודה זו, צימוד קצה שמש. שיטות נפוצות אחרות כוללות צימוד מקום פנוי צימוד צורם. צימוד מקום פנוי מסתמך על אלמנטים אופטיים בתפזורת ליישר ולמקד את הקורה לתוך מוליך הגל בקצה השבב. החסרון עם צימוד בדרך זו הוא שהיא יכולה להיות מאוד קשה כדי לייעל את היישור של הקרן, ויש תמיד יהיה השתקפות בממשק בשל ההבדל במדד. מצמדי פומפיית פיזור האור מן הגלאנכי להנחות, כך בסופו של סיבים ניתן להציב על פני השטח של החיפוי על זוג למכשיר. גם אלה נושאים מסוימים, כולל יישור קשה (הסיבים הם לעתים קרובות בקו ראייה של המיקרוסקופ) והפסדים גבוהים. צימוד קצה סיב אינו מושלם. לחיצה על הסיבים נגד השבב יכול לפגוע קצות הסיבים, ושניהם סיבי קצה השבב צורכים לנקות בתדירות גבוהה. היתרון של צימוד קצה סיב הוא כי היישור הרבה יותר קל מאשר שתי שיטות האחרות הוא מסוגל להשיג הפסדים נמוכים.
ככל שהמורכבות של עליות מערכות אופטיות, הדרך הריאלית רק להם סולם לתוך פלטפורמה יציבה היא מערכת משולבת, בדומה לדרך טכנולוגיה אלקטרונית. האתגר הוא התמזגות פלטפורמת פוטוניקס משולב עם בתפזורת ומערכות אופטיות מבוססות סיבים שכבר פרוסים. עם הניצול של מערכות מידע קוונטי מבוסס פוטון, שבו INFקשקשי מרחב ormation אקספוננציאלית (לעומת קנה המידה ליניארי של מערכות קלסיות), יציבות שלב ו הפסד נמוך משולבי טכנולוגיות פוטוניים הם עליונים להצלחה. הפרוטוקול שתארנו משמש נתיב ראשוני קדימה לקידום טכנולוגיה מתפתחת זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
יש לנו מה למסור.
Acknowledgments
עבודה זו בוצעה בחלקה במתקן המדע והטכנולוגיה ננו אוניברסיטת קורנל, חבר של רשת ננוטכנולוגיה התשתיות הלאומיות, אשר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (גרנט ECCS-1,542,081). אנו מכירים תמיכה עבור עבודה זו ממעבדת המחקר של חיל האוויר (AFRL). חומר זה מבוסס על העבודה הנתמכת בחלקו על ידי הקרן הלאומית למדע תחת פרס המס ECCS14052481.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3-Axis NanoMax Flexure Stage | Thorlabs | MAX312D | Precision 3-axis stages |
| Three-Hole Fiber Stripping Tool | Thorlabs | FTS4 | buffer stripping tool |
| Three Channel Piezo Controller | Thorlabs | MDT693B | Piezo controllers for NanoMax stages |
| Fiber Polarization Controller | Thorlabs | FPC562 | 3-Paddle fiber-based polarization controller |
| Fiber Cleaver | Thorlabs | XL411 | Fiber cleaver |
| Standard V-Groove Fiber Holder | Thorlabs | HFV001 | standard v-groove mount |
| Tapered V-Groove Fiber Holder | Thorlabs | HFV002 | tapered v-groove mount |
| Right-Angle Top Plate for NanoMax Stage | Thorlabs | AMA011 | right-angle bracket |
| 50:50 Fiber Optic Coupler | Thorlabs | TW1550R5F1 | 50/50 combiner |
| Optical Fiber Fusion Splicer | Fujikura | FSM-40S | Fusion splicer |
| MultiPrep Polishing System - 8" | Allied High Tech | 15-2100 | Chip polisher |
| GreenLube | Allied High Tech | 90-209010 | Polishing Lubricant |
| Cross-Sectioning Paddle with Reference Edge | Allied High Tech | 15-1010-RE | Polishing mount |
| Lightwave Measurement System | Keysight | 8164B | Mainframe for tunable laser |
| Tunable Laser Source | Keysight | 81606A | Tunable laser |
| Optical Power Sensor | Keysight | 81634B | Power meter |
| NIR Single Photon Detector | ID Quantique | ID210 | Single photon detectors |
| NIR Single Photon Detector | ID Quantique | ID230 | Low noise, free-running single photon detectors |
| PicoHarp | PicoQuant | PicoHarp 300 | Time-correlated single photon counting |
| WiDy SWIR InGaAs Camera | NIT | 640U-S | IR Camera |
| WDM Bandpass Filter | JDS Uniphase | 30055053-368-2.2 | pump cleanup filters |
| WDM Bandpass Filter | JDS Uniphase | 1011787-012 | pump rejection filters |
| Ultra-High Numerical Aperture Fiber | Nufern | UHNA-7 | high index fiber |
| Ultra Optical Single Mode Fiber | Corning | SMF-28 | standard single mode fiber |
References
- Silverstone, J. W., et al. On-chip quantum interference between silicon photon-pair sources. Nat. Photon. 8 (2), 104-108 (2014).
- Harris, N. C., et al. Integrated Source of Spectrally Filtered Correlated Photons for Large-Scale Quantum Photonic Systems. Phys. Rev. X. 041047, 1-10 (2014).
- Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2 (2), 88 (2015).
- Najafi, F., et al. Scalable Integration of Single-Photon Detectors. Nat. Commun. 6, 1-8 (2015).
- Dutt, A., et al. On-Chip Optical Squeezing. Phys. Rev. Appl. 3 (4), 1-7 (2015).
- Azzini, S., et al. Ultra-low power generation of twin photons in a compact silicon ring resonator. Opt. Express. 20 (21), 23100-23107 (2012).
- Clemmen, S., et al. Continuous wave photon pair generation in silicon-on-insulator waveguides and ring resonators erratum. Opt. Express. 17 (19), 16558 (2009).
- Engin, E., et al. Photon pair generation in a silicon micro-ring resonator with reverse bias enhancement. Opt. Express. 21 (23), 27826-27834 (2013).
- Steidle, J. a, et al. High spectral purity silicon ring resonator photon-pair source. Proc. of SPIE. 9500, 950015 (2015).
- Preble, S. F., et al. On-Chip Quantum Interference from a Single Silicon Ring-Resonator Source. Phys. Rev. Appl. 4, 021001 (2015).
- Cao, L., Aboketaf, A. A., Preble, S. F. CMOS compatible micro-oven heater for efficient thermal control of silicon photonic devices. Opt. Commun. 305, 66-70 (2013).
- Chrostowski, L., Hochberg, M. Silicon Photonics Design. , Cambridge University Press. Section 4.3 (2013).
